автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка и исследование микропроцессорной системы защиты асинхронных электродвигаталей

На правах рукописи УДК 621.316.925

ТЕРЁШКИН Артур Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТЫ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.14.02 - электрические станции (электрическая часть), сети и системы и управление ими

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

тш

Санкт-Петербург-1998

Работа выполнена на кафедре "Электрические станции" Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.К. Ванин

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор В. С. Гутников,

кандидат технических наук, доцент В.Я. Шмурьев

Ведущая организация - научно-исследовательский институт электромашиностроения

Защита состоится 22 мая 1998 г. в 10 часов в ауд. 325 главного здания на заседании диссертационного совета К 063.38.24 Санкт Петербургского государственного технического университета (195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29).

Отзывы на автореферат просим направлять по указанному адре су на имя ученого секретаря совета.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной биб лиотеке университета.

Автореферат разослан "21" апреля 1998 г.

У , /

Ученый секретарь

V .

диссертационного совета /¿■'Г[ / Б.А. Короткое

' И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Усложнение технологических процессов производства, передачи и распределения электрической энергии, а также систем электроснабжения промышленных предприятий требует дальнейшего увеличения степени их автоматизации, для чего начинают широко использовать автоматизированные системы управления (АСУ), основу которых составляют различные средства вычислительной техники и микроэлектроники в целом.

Значительное место в этих системах управления должна занимать противоаварийная автоматика, включающая в себя средства релейной защиты различного электротехнического оборудования и составляющая нижний уровень этой системы.

В этой связи особо актуальной становится необходимость разработки цифровых средств защиты, которые удовлетворяют современным требованиям АСУ.

Наиболее массовым приемником электрической энергии в системах ее производства и потребления являются асинхронные электродвигатели различных классов напряжения и мощности, от противоаварийной автоматики которых в значительной степени зависит надежность технологических процессов. Поэтому ее дальнейшее совершенствование является одной из первоочередных задач и работы, проводимые в этом направлении всегда актуальны.

Разработка новых технических средств на базе микропроцессорной электроники позволяет удовлетворить требованиям АСУ и, кроме того, значительно улучшить и традиционные технические характеристики защиты электродвигателей.

Цель работы - создание микропроцессорной системы (МПС) защиты асинхронных электродвигателей. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие теоретические и прикладные задачи:

- разработка аппаратной части специализированной МПС на основе анализа современной микропроцессорной элементной базы и выбора конкретных модификаций для выполнения системы релейной защиты (СРЗ) с заданными параметрами;

- разработка проблемно-ориентированного программного обеспечения на основе анализа методов цифровой обработки сигналов;

- разработка и исследование алгоритмов СРЗ от различных повреждений, ненормальных режимов;

Научная новизна диссертационной работы. Разработаны новые структурные схемы МПС РЗ с двумя измерительными трактами с фильтрацией и без фильтрации исходного сигнала, что обеспечивает повышение точности

работы защиты выполнения функции регистрации предаварийных и аварийных процессов; на основе известных тепловых критериев защиты от симметричных и несимметричных повреждений и перегрузок электродвигателей предложены новые алгоритмы их реализации, позволяющие упростить МПС при сохранении точности и достоверности контроля; разработаны структурная и принципиальная схемы МПС защиты асинхронных двигателей классов напряжения выше и ниже 1000 В мощностью до 2 МВт, удовлетворяющей требованиям АСУ.

Практическая ценность полученных результатов состоит в следующем:

1 .Разработана МПС защиты электродвигателей с расширенными возможностями, обеспечивающими автоматизацию обслуживания и упрощающими анализ возникновения и развития аварийных процессов, позволяющая включать ее в современную АСУ ТП электростанций и систем электроснабжения предприятий в качестве терминального оборудования.

2.Улучшены технические характеристики устройства в части повышения чувствительности защиты к повреждениям и ненормальным режимам и повышения ее точности.

Реализация результатов работы. Разработанный лабораторный образец используется в научных работах кафедры по научно-техническим программам "Конверсия" и "Финт-РВО", в учебном процессе при проведении лабораторных и лекционных занятий при повышении квалификации специалистов РАО ЕЭС России, а также подготовке инженеров и магистров на кафедре "Электрические станции" СПбГТУ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинаре "Электрические машины и аппараты", проводимом в рамках международной универсальной электротехнической выставки 1ЖЕЬ-96 (г. Санкт-Петербург, 1996 г.); на всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике" (г. Чебоксары, 1996 г.); на научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энерго-систем-98» (г. Москва, 1998 г.).

Публикации. По результатам работы опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 4 главы, заключение, список литературы из 60 наименований и 6 приложений. Основной материал изложен на 140 страницах машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы и очерчен круг вопросов,-которые исследуются в диссертации. Показан большой вклад в решение аналогичных задач, который внесли ВНИИР, ВНИИЭ, МЭИ, НПИ, ЧГУ, ВПИ, и ряд других вузов и НИИ России.

В первой главе выполнен анализ типовых защит ЭД на электромеханических реле и операционных усилителях, реализующих защиту от основных видов повреждений и ненормальных режимов работы асинхронных ЭД, а также современных устройств РЗ зарубежных фирм SIEMENS и ABB, построенных на микропроцессорной элементной базе; сформулированы задачи, решение которых необходимо для создания более совершенной МПС защиты двигателей.

Основное достоинство защит, выполненных на основе электромеханических реле - простота исполнения и высокая надежность. Однако их функциональные возможности ограничены. Во-первых, применение электромеханических реле не позволяет полностью использовать перегрузочные способности ЭД, т.к. выявляются только грубые отклонения состояния защищаемого объекта от нормального, причем те, которые сопровождаются значительным повышением тока. Во-вторых, такие защиты не дают возможность контролировать количество пусков двигателя (для отдельных типов двигателей это число ограничено). В-третьих, при увеличении мощности энергосистемы возрастают значения токов короткого замыкания, что приводит к увеличению погрешности трансформации тока. Для сохранения погрешности на прежнем уровне необходимо уменьшение нагрузки, но электромеханические реле представляют собой значительную нагрузку для трансформаторов тока. В-четвертых, техническое обслуживание электромеханических реле требует использования специального оборудования, больших временных затрат и привлечения высококвалифицированного персонала.

Более совершенными являются устройства релейной защиты, выполненные с использованием аналоговых интегральных микросхем. В них становится возможной реализация более сложных алгоритмов обработки входных сигналов: построение активных фильтров, используемых для фильтрации помех; решения дифференциальных уравнений; выполнение математических операций сложения, умножения, вычисления модуля, интегрирования, сравнения, используемых для определения интегральных (действующих, средних, средневыпрямленных) значений контролируемых сигналов, а также для реализации сравнения текущего значения сигнала с уставкой.

Для собственных нужд электростанций характерно использование большого количества электродвигателей различного назначения, что в современных условиях требует создания единой АСУ TI1, позволяющей осуществлять контроль состояния всех групп двигателей, генераторов и линий, производить автоматизированный анализ процессов возникновения и развития аварий. Устройства РЗ, построенные на основе электромеханических реле или с использованием аналоговой элементной базы, не имеют возможности работы в составе АСУ ТП. Это является существенным недостатком, преодолимым только при использовании микропроцессорной элементной базы.

Анализ некоторых существующих устройств релейной защиты зарубежного производства (ABB, SIEMENS) показывает их недостаточно полные функциональные возможности

Во второй главе проведен анализ существующих алгоритмов релейной защиты асинхронных ЭД, предложены новые алгоритмы защиты от симметричных и несимметричных повреждений и перегрузок.

Контроль теплового состояния защищаемого электродвигателя базируется на уравнении теплового баланса, позволяющего определять допустимость режима работы защищаемого электродвигателя при различных перегрузках.

Если в неподвижном твердом теле действуют внутренние источники тепла, то связь пространственного и временного изменений температуры в нем дается известным уравнением Фурье, которое для условий неодинаковой теплопроводности в направлении координатных осей (кх Ф X Ф Х2) имеет вид

09 , а2Э , 529 , Ö2S

ср— = <7v + К К тт + ТУ dt дх ду дг

Учитывая сложность реализации этого выражения, на практике можно использовать ряд допущений, позволяющих перейти к более простой модели.

• Температура охлаждающего воздуха неизменна в течение всего неустановившегося теплового режима.

• Коэффициенты теплоотдачи и теплопроводности не зависят от температуры тела и постоянны в течение всего неустановившегося режима.

• Нагреваемое или охлаждаемое тело обладает свойством неограниченной теплопроводности, т.е. градиент температуры в теле по любому направлению равен нулю.

• Не учитывается тепловое воздействие между отдельными частями сложной системы.

Приняв допущения, процесс изменения превышения температуры Д& электродвигателя над температурой охлаждающей среды под воздействием выделяющегося в нем за счет протекания тока тепла АО описывается уравнением:

щ<н = а/'дал+с (/¿да,

где АС)си - количество теплоты, выделенной в электродвигателе; а - коэффициент теплоотдачи, который зависит от конструкции обмотай и условий вентиляции; Т7 - площадь поверхности обмотки; А9 - превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды; с - удельная теплоемкость материала обмотки; С - масса обмотки.

Превышение температуры определяется в результате решения уравнения нагрева:

-1/.\

да - да.

1-е

'н

где ДО „о - превышение температуры, соответствующее установивше-

а ^

муся тепловому режиму; г - время; гн - постоянная времени нагрева.

Приведенное решение соответствует процессу нагрева электродвигателя из холодного состояния, когда температура совпадала с температурой окружающей среды, например, при пуске электродвигателя после остановки его на продолжительное время.

Если температура электродвигателя в начальный момент нагрева превышает температуру окружающей среды на Д30. то решение уравнения, отображающего нагрев, приобретает вид:

./Л,

+ Д&0е

Так как выделяемое в единицу времени тепло Л<2 пропорционально мощности электрических потерь АР и, следовательно, пропорционально квадрату тока, можно считать, что

(I у

Д9да = Д9но„ —- ,

^ н о и

где ДЭН1)|( и 1поу значение фазного тока и температуры двигателя в номинальном режиме.

Построение алгоритмов защиты от перегрузки на основе приведенной математической модели процесса нагрева двигателя возможно несколькими путями.

ч

Традиционно из решения уравнения нагрева находят допустимое время работы двигателя в режиме текущей перегрузки (¡до!), при этом необходимо вычисление функции логарифма, что в МПС без специализированных математических сопроцессоров приводит к значительному увеличению вычислительных затрат.

В этом случае целесообразно использовать приближенное решение дифференциального уравнения нагрева.

Первое приближение Пикара будет иметь следующий вид.

Этот же результат может быть получен заменой экспоненциальных множителей в точном решении уравнения нагрева на приближенное значение в соответствии с разложением экспоненты в ряд Тэйлора.

Расчет допустимого времени работы в этом случае осуществляется по выражению:

Однако, если tдon сопоставимо с Тн (около 10 мин), то погрешность приближенного расчета экспоненциальных множителей будет велика. Кроме того, при изменении режима перегрузки (как в худшую, так и в лучшую сторону) возникают дополнительные вычислительные затраты на расчет приобретенного двигателем тепла на данный момент для точного определения нового значения 1<)оь.

Другой алгоритм защиты может включать в себя расчет установившегося значения температуры двигателя по текущему значению фазного тока и температуры двигателя по приведенным точному или приближенному решениям уравнения нагрева. При этом пересчет установившегося значения температуры должен осуществляться при изменении фазного тока. Недостатком такого подхода является либо низкая точность при использовании приближенного решения, либо значительные вычислительные затраты при точном расчете экспоненциальных множителей в решении уравнения нагрева.

Установлено, что расчет текущей температуры двигателя по приведенной модели следует выполнять через равные промежутки времени. При этом экспоненциальные множители в решении уравнения нагрева рассчитываются один раз по заданной постоянной времени нагрева данного двигателя и будут иметь постоянное значение при любой перегрузке. Такой подход позволяет снизить требования, предъявляемые к быстродействию МПС и, как следствие, уменьшить ее стоимость при условии обеспечения достаточной точности вычислений.

= ТИ{ А^-А&о) Гйов АЭт - ДЭП

о

Алгоритм действия защиты предполагает выполнение расчета текущей температуры двигателя в соответствии с рассмотренной моделью и сравнение рассчитанной температуры с предельно допустимым значением через промежутки времени, равные интервалу интегрирования фазного тока. По результату сравнения делается вывод о допустимости режима работы ЭД. В случае длительного (более 37J) нахождения двигателя в номинальном режиме расчет температуры по приведенной модели прекращается и температура принимается равной номинальному значению. Это позволяет исключить накопление погрешности расчета температуры, обусловленной неточностью модели и погрешностью вычислений.

Принцип действия защиты от несимметричных режимов и повреждений основан на контроле интегральных значений тока обратной последовательности.

При возникновении значительных уровней несимметрии алгоритм защиты должен обеспечивать отключение электродвигателя без выдержки времени.

При уровнях токов обратной последовательности меньших значений токов срабатывания отсечки контроль допустимости режима электродвигателя осуществляется на основе уравнения нагрева. Но при использовании уравнения нагрева, приведенного для защиты от симметричных перегрузок необходимо определять постоянную времени нагрева ротора током обратной последовательности, что затруднительно. Поэтому на практике используют дальнейшее упрощение уравнения нагрева, предполагая адиабатный характер нагрева поверхности бочки ротора: А = l\tjxn - const,

где /2 - действующее значение тока обратной последовательности; гдл ' допустимое время его прохождения.

Константа А для данного типа двигателя задается заводом-изготовителем.

Суть предлагаемого алгоритма заключается в следующем.

Один из таймеров микропроцессорной системы используется для постоянного отсчета системного времени. В случае возникновения перегрузки считывается текущее значение системных часов, к которому прибавляется допустимое время работы электродвигателя в режиме данной перегрузки. Таким образом, определяется момент времени, в который необходимо отключить двигатель, если перегрузка не будет устранена. Система начинает

контролировать значение текущего времени, постоянно сравнивая его с моментом отключения двигателя. При устранении перегрузки такой контроль прекращается до возникновения очередной перегрузки.

Допустимое время рассчитывается по следующей формуле:

_ А ~ к ~ ¿пре ^2пре д

6оп~ ~ 72

12 тек

где /тек - текущее показание системных часов; 12пкк - текущее значение тока обратной последовательности; ¡прес- начало отсчета выдержки времени при действии тока перегрузки предыдущего шага алгоритма; 12пре ¿, - значение тока обратной последовательности, при котором возникла перегрузка на предыдущем шаге алгоритма.

Исходно, при отсутствии перегрузки, глре(~0, 1П1ек=0.

В третьей главе рассмотрены общие принципы построения микропроцессорных систем релейной защиты электродвигателей; проведен анализ современных микропроцессорных средств; выработаны рекомендации по программной реализации алгоритмов цифровой обработки синусоидальных сигналов, контролируемых устройством релейной защиты; предложены новые структурные схемы МПС с двумя измерительными трактами, учитывающие особенности реализации алгоритмов релейной защиты.

В микропроцессорной технике выделился самостоятельный класс больших интегральных схем (БИС) - однокристальные микроЭВМ (ОМЭВМ), которые предназначены для "интеллектуализации" оборудования различного назначения. Архитектура однокристальных микроЭВМ -результат эволюции архитектуры микропроцессоров и микропроцессорных систем, обусловленной стремлением существенно снизить их аппаратные затраты и стоимость.

ОМЭВМ представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде одной БИС и включающие в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации: процессор, запоминающее устройство команд, внутренний генератор тактовых сигналов, а также программируемые интегральные схемы связи с внешней средой. Использование ОМЭВМ в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при их низкой стоимости. В настоящее время более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно БИС ОМЭВМ. Такие микросхемы имеют незначительные объемы памяти, физическое и логическое разделение памяти программ (ПЗУ) и памяти данных (ОЗУ), ориентированную на задачи управления систему команд. Специфическая организация

ввода-вывода информации предопределяет область их применения в качестве специализированных вычислителей, включенных в контур управления объектом или процессом. Структурная организация, набор команд и аппаратно-программные средства ввода-вывода информации этих микросхем лучше всего приспособлены для решения задач управления и регулирования в приборах, устройствах и системах автоматики.

В большинстве алгоритмов релейной защиты контролируемыми сигналами являются интегральные (действующие, средневыпрямленные) значения токов, напряжений, мощности. В связи с этим необходимы анализ и выбор численных методов обработки входных сигналов, обеспечивающих расчет с достаточной для целей релейной защиты точностью и учитывающих особенности программной реализации в МПС.

В результате анализа трех наиболее распространенных методов численного интегрирования (методов прямоугольников, трапеций и парабол) получены мажорантные оценки относительной методической погрешности для интегрирования функций модуля и квадрата синуса, используемых для расчета средневыпрямленного и действующего значений соответственно; определены вычислительные затраты на их программную реализацию и выработаны практические рекомендации по использованию.

Действующее значение тока может вычисляться по канонической формуле:

Кроме того, при интегрировании может быть вычислено средневы-прямленное значение:

а действующее значение определяется с использованием коэффициента формы:

Так как функция ¡вт г| имеет кусочно-непрерывные производные, то для всех рассматриваемых методов будем использовать мажорантную оценку остаточного члена.

Значения относительной методической погрешности у расчета действующего и средневыпрямленного значений синусоидального сигнала приведены в таблице 1.

Таблица 1

Мегоды интегрирования Расчет Расчет

прямоугольников и VI 712 у< — п

трапеций 4я2 п3 У - тт эгг

парабол 64п4 У ^-г 45 п4 4л5 7 ~ 45,г4

В приведенных выражениях п - число интервалов разбиения промежутка интегрирования.

Вычислительные затраты на реализацию алгоритма могут быть оценены объемом занимаемой памяти и количеством операций. Объем памяти, необходимый для реализации рассматриваемых методов одинаков и равен п.

Количество операций при расчете по рассмотренным методам приведено в следующей таблице 2.

Таблица 2

Методы интегрирования Операции Операции Вычисление функции

прямоугольников п 1 п

трапеции п+1 2 п+1

парабол п+2 3 п+1

Из приведенных значений относительной методической погрешности и вычислительных затрат, следует, что наиболее целесообразно вычислять средневынрямленное значение методом парабол, переходя затем к действующему значению с использованием коэффициента формы.

В устройствах релейной защиты применяют АЦП с частотой выборок 600-2000 Гц. Так при частоте квантования 600 Гц (12 измерениях за период входного сигнала) максимальное значение относительной погрешности интегрирования методом парабол может составит 0,13%, а методом прямоугольников 52%.

Формула Эйлера является более точной, чем формула парабол (оценка остаточного члена меньше в 4 раза), но при ее использовании необходимо вычисление значений первой производной интегрируемой функции в начале и конце интервала интегрирования. Для этого можно воспользоваться

разностными выражениями второго порядка точности, что приведет к существенному увеличению вычислительных затрат, не оправданному чегы-рехкратным снижением погрешности. Если заменить производные односторонними разностями, то общий порядок точности понизится до третьего.

Использование других численных методов интегрирования представляется нецелесообразным, т.к. вычислительные затраты на их реализацию значительно выше рассмотренных, а точность интегрирования, обеспечиваемая рассмотренными методами удовлетворяет целям релейной защиты.

Так как при коротких замыканиях в обмотках двигателей сигнал на входе АЦП может достигать 20-30 1НШ , для расширения динамического диапазона АЦП при сохранении точности измерений на уровне его разрядности входная величина измеряется дважды: подается на вход АЦП без усиления и с усилением (20-30 раз). Если результат первого преобразования не равен минимальному или максимальному значением, то результатом измерения будет считанное значение, поделенное на коэффициент усиление. В противном случае результат измерения равен результату второго пребразо-вания.

В подавляющем большинстве современных устройств защиты в качестве полезной информации используются сигналы промышленной частоты, так как по ним обычно задаются значения уставок и они являются входными для фильтра симметричных составляющих. В то же самое время в энергетических системах при нормальных и аварийных режимах и в самих устройствах противоаварийной автоматики происходят искажения сигналов, которые вызываются нелинейными параметрами оборудования, нестационарностью процессов и различными помехами. Повышение точности, а следовательно, и достоверности контроля режимов достигается применением различных фильтров.

Традиционно задача фильтрации состоит в отделении полезного сигнала от аддитивной помехи измерения и подавлении последней.

Отсюда формулируется следующее основное требование, предъявляемое к фильтру: полоса пропускания должна охватывать основную гармонику с частотой 50 Гц. Ширина полосы пропускания и конкретный вид амплитудно-частотной характеристики зависит от нескольких факторов, например, от максимально допустимого времени наблюдения, которое ограничивается допустимым времени срабатывания реле.

Задачи построения полосовых фильтров как в аналоговом, так и в цифровом виде, достаточно хорошо изучены и существуют типовые решения. Для нестационарных процессов наиболее качественную фильтрацию осуществляют фильтры Калмана-Бьюси, но в виду значительной сложности их реализации на практике чаще используют более простые стационарные фильтры, например фильтры Винера, Баттерворта, Чебышёва и другие.

Однако, при использовании только спектрально преобразованных сигналов в устройствах релейной защиты возникает ряд проблем.

Во-первых, при работе устройства релейной защиты в составе АСУ ТП, является необходимой регистрация состояния объекта с последующей передачей на верхний уровень управления информации о предаварийном периоде. Эта информация используется для последующего ретроспективного анализа процесса развития аварии. При этом наиболее информативной является выборка мгновенных значений исходного входного сигнала без предварительной обработки.

Во-вторых, при реализации защиты от перегрузки на основании математической модели нагрева двигателя входной величиной является действующее значение фазного тока, при протекании которого по обмотке статора выделяется пропорциональная квадрату его значения мощность, затрачиваемая на нагрев. При этом также необходимо использовать значение исходного тока. В противном случае не учитывается нагрев высшими гармоническими и апериодическими составляющими сигнала, что приводит к заниженной оценке температуры обмотки.

В-третьих, при защите асинхронных электродвигателей с частотным пуском особенно в пусковом режиме на-двигатель подается несинусоидальное напряжение питания изменяющейся частоты (от О до 50 Гц). Поэтому выделение полезного сигнала с частотой 50 Гц из входного тока и вычисление его действующего значения не позволяет осуществить тепловую защиту таких двигателей во время частотного регулирования.

В связи с эти необходимо включить в состав микропроцессорной системы релейной защиты два измерительных тракта, по одному из которых осуществляется традиционная фильтрация полосовым фильтром входного сигнала и его измерение, а по другому измерение осуществляется без фильтрации. Такое решение порождает несколько

структурных схем для последующей реализации. Наиболее целесообразно использовать схему приведенную на следующем рисунке.

} ЦП

В четвертой главе рассмотрена практическая реализация теоретических положений диссертационной работы:

1 .Дано описание разработанных структурной и принципиальной схем микропроцессорной системы релейной защиты ЭД, по которым был изготовлен лабораторный макет устройства.

2. Представлено разработанное программное обеспечение, реализующее функции защиты, заложенные в устройство.

В состав МПС защиты входят следующие функциональные блоки:

• блок входных преобразователей, который преобразует исходные сигналы (токи) в напряжения для последующего аналого-цифрового преобразования;

• измерительный блок преобразует напряжения с выходов блока входных преобразователей из аналоговой формы в цифровую для последующей обработки в вычислительном блоке;

• вычислительный блок обрабатывает измеренные значения входных сигналов и формирует управляющие сигналы для коммутационного оборудования, а также информационные сигналы о состоянии двигателя.

Кроме того, в состав системы входят блок питания, блок индикации и клавиатуры, а также блок связи с верхним уровнем иерархической автоматизированной системы управления.

Блок индикации и клавиатуры предназначен для отображения информации о работе устройства защиты и ввода значений уставок в прибор.

Блок преобразователей ток—>напряжение выполнен на сдвоенных операционных усилителях.

Сигналы с выходов преобразователей ток->напряжение поступают на вход измерительного блока, в состав которого входят:

мультиплексор для коммутации измерительных каналов;

усилитель с коэффициентом усиления равным 16, позволяющий расширить динамический диапазон АЦП с сохранением точности преобразования па уровне 8 бит;

мультиплексор, предназначенный для выбора напряжения измеряемого канала, умноженного на коэффициет 1 или 16;

устройство выборки и хранения (УВХ), предназначенное для поддержания напряжения на измерительном входе ЛЦП постоянным в течение всего времени преобразования и устранения таким образом апертурной погрешности АЦП;

8-разрядный КМОП аналого-цифровой преобразователь поразрядного уравновешивания, на вход которого подается напряжение с выхода УВХ, а цифровые выходы подключены к шине данных процессора.

Измерительный блок также содержит двухполярный источник опорного напряжения для АЦП. Положительное опорное напряжение используется для смещения характеристики преобразования АЦП, так как используемый АЦП однополярный.

Так как при коротких замыканиях в обмотках двигателей сигнал на входе АЦП может достигать 20-30 1НШ , для расширения динамического диапазона АЦП при сохранении точности измерений на уровне 8 бет входная величина измеряется дважды: подается на вход АЦП с коэффициентом усиления 16 и 1. Если результат первого преобразования не равен 00000000 или 11111111 (/„, < 167 < /тах), то результатом измерения будет считанное значение, поделенное на 16. В противном случае результат измерения равен результату второго пребразования.

Вычислительный блок выполнен в виде микропроцессорной системы, реализованной на базе однокристальной микро-ЭВМ семейства МК-51 и содержит следующие узлы:

• центральный процессорный элемент;

• регистр защелки адреса, предназначенный для фиксации младшего байта 16-разрядного адреса программы или данных во время их выборки;

• постоянное запоминающее устройство с ультрафиолетовым стиранием объемом 8кБ, предназначенное для хранения кода программ, а также констант, используемых в программе;

• двоичный счетчик, выполняющий функции "сторожевого" таймера;

• оперативное запоминающее устройство объемом 2кБ, предназначенное для хранения промежуточных результатов расчетов по программе;

• ПЗУ с электрическим стиранием объемом 2кБ, предназначенное для хранения уставок;

• группа микросхем, выполняющих управление считыванием из ПЗУ уставок, а также его программированием. Напряжение программирования +25 В для ПЗУ формируется усилителем, выполненным на транзисторах.

Для связи с контрольно - измерительной системой верхнего уровня предусмотрен совмещенный интерфейс "Токовая петля 20 мА" - 115232С.

Блок индикации и клавиатуры выполнен на жидкокристаллическом индикаторе. Преобразование выводимой информации и управление работой индикатора переменной частотой осуществляется программно. На плате блока индикации и клавиатуры размещены также светодиоды, предназначенные для индикации режимов работы устройства защиты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:

¡.Разработана микропроцессорная система защиты асинхронных электродвигателей, обеспечивающая возможность работы в составе АСУ ТП в качестве терминального оборудования. Это позволяет осуществлять дистанционное управление объектом и системой защиты, регистрировать предаварийные и аварийные процессы в двигателе для автоматизации и упрощения выявления места и причин повреждения. Изготовлен и испытан в пабораторных условиях макет системы. Получены ее основные характеристики. Результаты испытаний подтвердили ее работоспособность и правомерность допущений, принятых при анализе и синтезе.

2.Разработано программное обеспечение для микропроцессорной :истемы защиты, обеспечивающее выявление внутренних междуфазных и эднофазных коротких замыканий, симметричных и несимметричных перегрузок, замыканий на землю в цепях статора (при работе двигателя в сети с полированной нейтралью).

3.На основе решения уравнения нагрева разработаны алгоритмы за-циты от симметричных и несимметричных перегрузок токами. Проведена оптимизация вычислительных затрат на их реализацию при сохранении точности на уровне исходной математической модели.

4.Разработаны новые структурные схемы микропроцессорной систе-иы, учитывающие особенности алгоритмов релейной защиты и контролируемых сигналов. Обоснована необходимость измерения сигналов токовых то двум трактам. В одном из них должна осуществляться частотная фильтрация входного сигнала, а второй должен обеспечивать его неискажающую тередачу. Схемы с двумя измерительными трактами с частотной фильтра-щей и без фильтрации, повышают достоверность работы токовой отсечки, ¡ащиты от тепловых перегрузок, а также информативность данных регистрации состояния объекта.

5.С учетом особенностей задач релейной защиты разработаны и оптимизированы алгоритмы вычисления интегральных значений контролируемых сигналов. Получены критерии выбора частоты дискретизации входных сигналов в зависимости от допустимой погрешности вычислений и выработаны практические рекомендации по использованию численных методов интегрирования. Доказана целесообразность определения интегральных значений методом парабол (Симпсона). В измерительном тракте с частотной фильтрацией расчет действующего значения целесообразно осуществлять по средневыпрямленному значению.

При работе над диссертацией автор пользовался консультациями кандидата технических наук, доцента A.B. Булычёва.

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1.A.В. Булычёв, В.К. Ванин, A.JI. Соловьёв, A.B. Терёшкин. Контроль параметров и защита электродвигателей переменного тока./ Тезисы докладов на всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике" .Чебоксары, 1996,- с. 20-22.

2.А.В. Булычёв, В.К. Ванин, A.JI. Соловьёв, A.B. Терёшкин. Устройство для диагностики и защиты цепей статора генераторов от повреждений на землю./ Тезисы докладов на семинаре "Электрические машины и аппараты" на универсальной электротехнической выставке UNEL-96 (электротехника и электроника).- Санкт-Петербург, 1996,- с. 8,9.

3.А.В. Булычёв, В.К. Ванин, A.JI. Соловьёв, A.B. Терёшкин. Защита электродвигателей переменного тока и диагностика их электрических параметров // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 1997.-№ 1-2,-с. 115.

4.А.В. Булычёв, В.К. Ванин, А.Ю. Квитницкий, Т.И. Кривченко М.А. Носенко, A.JI. Соловьёв, A.B. Терёшкин. Определение повреждений изоляции обмоток статора генератора // Труды СПбГТУ. Электротехника у электроэнергетика. Проблемы управления электроэнергетическими системами. (в печати)

5.А.В. Булычёв, В.К. Ванин, М.А. Носенко, A.JI. Соловьёв, A.B. Те рёшкин. Исследование коммутационного метода контроля изоляции и за щиты генератора, работающего в блоке с трансформатором, от однофаз ных замыканий на землю в обмотках статора II Труды СПбГТУ. Электро техника и электроэнергетика. Проблемы управления электроэнергетиче скими системами, (в печати)